2.4米望远镜天体测量试验

利用文[1]提出的方法,求解出云南天文台丽江观测站2.4m望远镜CCD图像中的几何扭曲模型.将求解的模型应用到同期观测所得Phoebe(土卫九)的116幅CCD图像表明:扣除视场几何扭曲的影响后,该卫星定位精度明显提高.土卫九天体测量精度在每个方向约为0."02～0."03.     

近地天体望远镜配置大阵面CCD后轴外像差的校正

近地天体望远镜由SI600S (4k×4k) CCD升级为STA1600LN (10k×10k) CCD后,观测视场由4 deg~2增至9 deg~2,可用视场直径由望远镜原设计视场的3.14°增至4.28°,超出原设计36%,同时作为CCD密封窗的场镜增厚8.75 mm;两个因素导致10k CCD成像的轴外像差增大,视场外围的像质变差.依据望远镜原始设计光学参数,借助光学设计软件ZEMAX进行像质改善尝试,最终选择在10k CCD场镜前插入一个由两片球面透镜组成的场改正镜,使10k CCD的轴外像差得到校正.同时还提出了一个进一步拓展近地天体望远镜观测能力的设计方案,将望远镜的可用视场从目前的14.38 deg~2扩展至28.27 deg~2.     

土星主要卫星天体测量定标试验

在地面望远镜观测土星主要卫星的精确定位中,目前普遍采用CCD成像技术。为了测量视场中暗卫星的位置,常采用4颗主要卫星(土卫三-土卫六)进行定标。鉴于技术的进步,目前CCD视场正在逐步增加,如何精确定标图像值得研究。利用2010年1月20日在云南天文台1 m望远镜上观测的不同取向的105幅CCD图像进行了试验研究。采用了美国喷气推进实验室土星主要卫星历表和美国海军天文台的UCAC4恒星星表进行计算,相对于不同的参考对象进行定标。结果表明,采用4颗主要卫星进行定标并测量离卫星较近的观测对象时具有较好的测量准确度和内部精度。测量离定标星较远的卫星时,这种定标方法具有较大的不确定性。采用6颗主要卫星(土卫三-土卫八)进行定标,所有卫星的测量结果具有更好的外部和内部符合。即便如此,采用四常数模型和六常数模型定标的结果都不是令人满意,这揭示CCD视场存在明显的扭曲效应。如果采用视场中的恒星定标,卫星的外部符合和内部精度明显变差,这说明UCAC4恒星参考星表也不是理想的定标用参考星表。     

CCD光度定标对星像精确测量的影响

近年来,在用CCD器件进行恒星星像的位置和光度的精确测量中,有些研究者考虑了器件的光度定标(或称平场)的改正,有些人却不加说明地忽略之。在今后对恒星或行星星像的精确测量中是否需要考虑这种定标影响呢?为回答这一问题,我们利用在云南天文台1m望远镜上配备的CCD拍摄的实际图像进行了分析处理。当假定CCD每一像素光度的响应与输入光度具有线性关系的模型时,试验表明:对于暗星(约16mag),由光度定标引起的光度影响和位置影响分别约为0.2mag和0.02pixel,而对于亮星(约10mag),相应的改正在光度和位置方面分别约为0.02mag和0.002pixel。明显地,我们应该重视暗星星像的光度改正效应,而星像位置方面的效应则可以忽略不计。     

用M15进行CCD视场的校准

用1996年10月所获得的球状星团M15和大距离双星61Cygni的CCD观测资料,分别求解了上海天文台1.56m天体测量望远镜上安装的CCD探测器视场的位置角改正δp和尺度因子ρ。通过对土星主要卫星观测资料0－C的计算分析表明,经球状星团校准视场后所得结果较双星校准后结果的精度要高。该结论为进一步提高计算大行星卫星的位置测量精度打下良好的基础。     

丽江2.4米望远镜双视场终端的控制与图像采集

为充分利用丽江2.4 m望远镜有限的卡焦接口,提高观测效率,研制了一个双视场天文观测终端,在2.4 m望远镜上实现不同视场和图像比例尺等参数进行快速测光和高分辨成像等天文观测,以满足不同的观测需求。针对该终端对滤光片轮精度和大视场光路与小视场光路切换的精度要求,以及对电子倍增电荷耦合器件(Electron-Multiplying Charge-Coupled Device, EMCCD)相机图像采集的速度要求,采用三层电机闭环控制以及多线程并发执行等技术,实现了该终端中滤光片轮、大视场光路与小视场光路切换的精确控制,以及EMCCD相机图像的快速采集与存储。最后在实验室进行了详细测试,结果表明,所设计的控制与图像采集系统能满足各项性能指标的要求。     

1.2m地平式望远镜视场旋转角的理论计算

利用光线追迹法和矩阵光学的方法分析了1.2m天文望远镜折轴平面反射镜系统在望远镜的方位轴、高度轴转动时所引起的像方视场的旋转,分别用两种方法给出了一致的目标图像旋转与望远镜高度角、方位角之间变化的函数关系式,并将地平式装置引起的物方视场旋转在球面坐标系下的旋转量转换到平面直角坐标系中,最终得到整个望远镜系统的视场旋转量,为实时改正这些旋转量提供了理论依据.     

"水平式"施密特(Schmidt)望远镜光学系统的调整方法与步骤

近年来我们为青海德令哈观测站安装了一台施密特(Schmidt)望远镜,还把云南天文台原德制施密特望远镜机架进行了设计、改装成"水平装置".它们的改正镜口径约为Φ400mm,焦距约为800mm,用于观测人造卫星及空间碎片,用CCD作为接收器,提高了工作效率,为神州发射提供了资料.本文所述的是对这两台施密特望远镜光学系统的调整方法与步骤.     

行星(月球)自转监测望远镜的原理样机地面验证实验

类地行星(月球)自转监测望远镜的科学目标是在行星(月球)表面现场测量行星(月球)自转并研究其内部结构和物理性质.为了验证全新的观测原理和资料处理方法,项目团队设计制造了一套原理样机,在一台商用天文望远镜的光路前端增加3面反射镜组,使其具有同时观测3个视场的能力.自2017年起在地面上开展了观测实验,获得了混合有3视场星象的图像.通过计算星象在前后图像上的位移实现了归属视场识别,使得观测效果与分视场独立观测等同,证明了用一台设备同时观测多视场的可行性.处理图像并通过3个视场中心的指向变化归算地球自转轴的空间指向,与理论值比较偏差平均约1′′,证明了观测原理和数据处理方法有效.对各种观测误差来源进行了分析,包含大气折射、仪器热稳定性和光学分辨能力的影响等,指出采用更长焦距的望远镜可以提高空间分辨率,优化形变控制可以提高观测稳定性.改进多视场同时观测中的光学设计也有助于精度的提高.     

基于几何扭曲模型的CCD图像扭曲校正残差及分析

在已知图像几何扭曲模型的基础上,对2013年2月5日使用云南天文台2.4 m望远镜观测近地小行星(99942)Apophis资料中的58幅CCD图像进行了几何扭曲校正,并对校正后的图像测出的星像位置进行了几何扭曲残差分析。结果发现,星像位置X、Y两个方向的几何扭曲残差约在±0.02 pixel内。为了探究影响几何扭曲残差大小的因素,设计了仿真实验。将模拟星像函数经过设定的扭曲函数模型添加几何扭曲,得到受扭曲的星像函数,并对扭曲前后的星像进行几何扭曲残差分析。结果显示,星像的半峰全宽(FWHM)越大,几何扭曲模型的扭曲变化越快,几何扭曲残差越大。     

近地天体望远镜的PSF分布研究

盱眙近地天体望远镜CCD视场为1.94°×1.94°,作为大视场望远镜由于存在场曲现象,因此根据单颗星像调焦会导致PSF(Point Spread Function)分布不均匀.研究所拍摄图像的PSF分布特征,并通过拟合半高全宽和离焦量的函数关系模拟出弯曲焦面,从而确定出最佳成像平面.制定出根据PSF的半高全宽直方图来判断最佳成像平面的调焦方法.     

望远镜几何扭曲实测方法仿真研究

精确求解望远镜几何扭曲效应,有利于提高望远镜的天体测量定位精度,这对天文学的诸多学科具有十分重要的意义.为此,前人发展了一种针对密集星场抖动观测并针对观测底片迭代求解几何扭曲的自校准方法,取得了较好的效果.但是,先前的工作并未对星场的密集程度或抖动方式做进一步要求,而是经验地选择较为密集的星场和较多的抖动次数进行观测.这些经验的观测方式固然能够较好地给出几何扭曲,但有时会占用较多的望远镜观测时间导致效率较低.首先介绍了上述求解望远镜几何扭曲的一般方法;通过仿真模拟,对上述方法的有效性做评估,同时对该方法要求的星场密度和抖动次数等条件做进一步优化;最后,针对实际应用中几何扭曲改正后的定位精度与视场参考星数量的关系也做了进一步的仿真和分析.     

φ30公分施密特望远镜CCD缩焦器的设计

目前在望远镜上广泛使用CCD相机来代替照相底片。但是通常CCD的尺寸很小,即使是在短焦距的望远镜上,也限制了可用的视场。 本文介绍了为一架30厘米施密特卡塞格林望远镜对此目的而设计、制造的一套简单的缩焦器。     

基于大视场反卷积的天文图像叠加方法

地基望远镜在成像过程中,由于受大气湍流、望远镜静态像差、跟踪误差、指向误差及视场变化的影响,不同视场区域的PSF (Point Spread Function)具有差异;同时,不同望远镜获取的图像PSF也存在差异.将多个望远镜获取的星象直接叠加至相同的区域后,图像质量受像质最差的望远镜限制,最终观测分辨率和灵敏度均会受到影响.通过图像复原,可以提高图像质量,进而提高叠加效果.根据该思路提出了1种基于PSF分区的迭代图像复原方法:该方法首先通过SOM (Self-organizing Maps)对PSF进行聚类分析,利用同类别PSF的平均PSF进行反卷积,再将反卷积结果按PSF聚类结果分割为不同大小的子图,最后将子图进行拼接.图像复原在提高图像质量的同时,降低了PSF不一致性对图像叠加带来的影响.将几个望远镜在同一时刻获取的图像经反卷积处理之后利用图像配准算法进行矫正并叠加,可获得高信噪比图像.对实际望远镜获取的数据处理后的结果表明:图像在进行复原和叠加过程中,星象目标信噪比不断提升,提高了成像系统对暗星的探测能力.     

图像移位堆叠方法用于暗天然卫星的天体测量

暗弱天然卫星与主带小行星相比,具有亮度低、速度变化快的特点.在观测这类天体时,不能简单地延长曝光时间来提高其信噪比.尝试观测多幅短曝光的CCD (chargecoupled device)图像,采用移位堆叠(shift-and-add)方法,希望提高目标成像的信噪比,获得暗弱天然卫星的精确测量结果.使用2018年4月9—12日夜间,中国科学院云南天文台1 m望远镜(1 m望远镜)拍摄的木星5颗暗卫星的229幅CCD图像,实施了移位堆叠试验.为了验证结果的正确性,与相近日期中国科学院云南天文台2.4 m望远镜(2.4 m望远镜)观测的相同木卫图像的测量结果进行了比较和分析.位置归算采用了JPL (Jet Propulsion Laboratory)历表.结果表明,对CCD图像使用移位堆叠方法,通过叠加约10幅曝光时间100 s的图像, 1 m望远镜能观测暗至19等星的不规则天然卫星,而且测量的准确度与2.4 m望远镜的测量结果有良好的一致性.     

近地天体望远镜增加卡氏内氏焦点的可行性研究

近地天体望远镜是巡天望远镜, 具有短焦距、大视场、低空间分辨率的光学特点. 望远镜只有一个主焦点, 焦距1.8 m, 底片比例9um/'', 像斑几何能量集中度EE80 ≤2''(像斑环绕能量的80%,即80% encircled energy, 记为EE80), 有效视场直径为4.28-°(14.3deg2), 目前配10k times 10k的STA1600LN CCD (charge-coupled device) camera, 观测视场为9deg2. 通过光学系统设计, 在原光学系统上增加副镜及场改正镜, 获得了焦距9m的卡氏焦点和内氏焦点，底片比例43.6 um /"，在直径15''的可用视场内，像斑EE80≤0.5",为近地天体望远镜实现多终端观测提供了理论依据.     

LAMOST光学系统成像的动态模拟分析

LAMOST是一个大视场兼大口径的中星仪式望远镜,其光学系统是反射Schmidt系统。为克服Schmidt系统长镜筒（二倍焦距）的整体运动所引起的各种困难,采用了特殊的装置,即球面主镜固定不动,由非球面改正板的转动完成对被观测目标的瞄准和跟踪。使大视场和大口径的兼备成为可能。因而AMOST在观测过程中的成像情况与一般的望远镜不同,其焦面、改正板的位置和面形,都随观测天区和时间而变化,另外还有视场旋转和大气折射的影响。本文提出了用光轴稍微倾斜放置的球面代替最佳焦面的方法,并详细叙述了对LAMOST实际观测过程中,光学系统成像情况动态模拟分析的方法和结果。进一步证明了这种特殊的光学系统的可行性。     

光学系统参数确定带宽约束的天文图像盲反卷积

大气湍流极大限制了地基大口径望远镜观测天文目标图像的空间分辨率.根据最大似然估计原理,提出了用实际光学带宽约束的可有效减小天文观测图像中大气湍流影响的盲反卷积方法,通过共轭梯度优化算法使卷积误差函数趋向最小.建立了望远镜光学系统参数和图像频域带宽的关系,采用变量正性约束、点扩散函数带宽有限约束,提高算法的收敛性.为避免图像处理中有效傅立叶变换频率超出截止频率,要求采集望远镜焦面图像时单个成像单元(如CCD像素单元)应小于四分之一衍射斑直径.算法中未用目标支持域约束,所提出的方法适用于全视场天文图像恢复.用计算机模拟和对实际天文目标双鱼座图像数据的恢复结果验证了所提出方法的有效性.     

大视场巡天望远镜探测器响应与滤光片优化分析

大视场巡天望远镜(Wide Field Survey Telescope,WFST)是采用主焦式光学设计、2.5 m口径、具备强大巡天能力的望远镜,可以开展大规模图像巡天,用于刻画银河系和近邻宇宙的组成和结构、普查太阳系天体和外部构成、开展时域天文监测等科学研究工作.结合大视场巡天望远镜光学系统的透过率、西藏阿里站址的大气透过率和冒纳凯阿台址的天光发射谱,比较不同电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)量子响应曲线、读出噪声和不同曝光时间情况下,不同类型天体在u、g、r、i、z和w波段的能谱响应,分析各个波段测光信噪比,优化确定CCD响应曲线和用于太阳系天体巡天的白光滤光片(w)设计.分析结果显示:蓝敏CCD对探测超新星等高能爆发暂现源有优势,但在r、i、z波段效率降低,从而降低这些波段的巡天探测灵敏度.光学宽带CCD响应曲线兼顾蓝端和红端能谱响应,在相同观测时间内,可以实现比蓝敏CCD更高的巡天灵敏度.采用宽带CCD响应曲线,结合估算的WFST系统光学成像效率及站址的天光和消光,计算给出了巡天观测对太阳系天体(G2V恒星光谱)、椭圆星系(E)、漩涡星系(Sbc/Scd)、不规则星系(Im)、类星体、I型和II型超新星的探测灵敏度.通过调节w波段的带宽和中心波长,可以实现对不同类型天体的能谱响应信噪比最大化.综合比较,确定w滤光片的优化设计波长范围为367–795 nm.最后,计算给出了各波段长期巡天图像数据叠加的探测灵敏度随曝光时间的变化曲线.     

全天相机在多设备巡天中的应用

天文观测站夜天空星像星等信息和天区分布信息可用于指导多设备巡天观测.建立全天相机监测系统(Monitoring all-sky system)对本地天区夜天空实时监测,获取的监测图像需要有效的方法进行处理以提取全天图像星像信息.由于全天图像视场大和高阶扭曲的影响,采用天顶等距投影与多项式函数组合的方法计算图像的底片常数.天文定位的均方根残差约为0.15个像素.通过对图像中亮星部分测光得到的星等差,改正大气消光误差.最后使用HEALPix (Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelation)方法实现天区划分和每个天区可观测极限星等值的存储.